На распространение тяжелых газов в атмосфере влияет ряд факторов. При этом изменение многих физических параметров течения сказывается на развитии явления не самостоятельно, а лишь в сочетании друг с другом. Для описания подобных эффектов используются безразмерные критерии, в том числе число Фруда, число Ричардсона, число Рейнольдса.
Последние два критерия в зависимости от конкретных значений параметров могут характеризовать состояние атмосферы, степень влияния плотности газа на характер рассеяния облака, механизм взаимодействия потока с поверхностью земли и другие явления; а влияние сил плавучести связано с изменением числа Фруда. Особое значение имеет критерий Рейнольдса, который является основным с точки зрения определения возникающего в течении режима - турбулентного или ламинарного.
Различные неоднородности (шероховатости) подстилающей поверхности могут оказать существенное влияние на динамику движения плотного облака, если обусловленные ими гравитационные силы будут сопоставимы по величине с движущими силами облака на ровной поверхности. При этом существенное возрастание значений скоростей, наблюдаемой во взрывной волне, оказывает двоякий эффект, увеличивая как движущие силы, так и гидравлические потери.
В /27/ и /28/ делается вывод, что шероховатые неоднородности необходимо принимать во внимание при условии сопоставимости высоты облака и неровностей поверхности. Протяженность облаков тяжелых газов зависит от количества возможных степеней свободы его движения.
В случае наличия сильного ветра рассеяние тяжелого газа может носить трехмерный характер. При более слабом ветре рассеяние будет происходить преимущественно в горизонтальном направлении. Максимальные размеры рассеяния облаков тяжелых газов могут достигать при больших масштабах аварии десятков километров. При наличии же ударной волны, очевидно, следует учитывать две стадии протекающего процесса - при наличии взрывных возмущений и без таковых.
Кроме того, рассеяние тяжелых газов в условиях застройки имеет ряд особенностей, связанных как с ее влиянием на реальные поля скоростей ветра, так и с наличием значительного числа мест, в которых возможно накопление распространяющихся в атмосфере тяжелых газов и паров. Распространение облаков различных газов в условиях застроенной промышленной площадки может сопровождаться значительным материальным ущербом и человеческими потерями.
Указанные выше особенности значительно осложняют проблему рассеяния тяжелых газов и паров в условиях застройки.
Было проведено значительное число исследований, направленных на решение задачи моделирования рассеяния атмосферных примесей, в том числе и тяжелых газов /27,28/. При этом разными авторами были использованы следующие методы исследования: моделирование на основе экспериментальных данных (объем которых весьма ограничен) и математическое моделирование. Обзор этих работ позволяет сделать выводы о современном состоянии проблемы.
Несмотря на значительное число исследований, есть лишь одна официально утвержденная, нормативная методика расчета распространения аварийных выбросов в атмосфере /29/. Она распространяется на случай выброса опасных химических веществ (ОХВ) в атмосферу в газообразном, парообразном или аэрозольном состоянии. Масштабы заражения ОХВ в ней рассчитываются по первичному и вторичному облаку в зависимости от их физических свойств и агрегатного состояния: для сжиженных газов - рассчитываются оба облака, для сжатых газов - только по первичному облаку.
Однако в данной методике принято множестве допущений, за что она подвергается критике.
В этом документе сначала прогнозируется глубина зон заражения ОХВ. Расчет ведется с помощью табличных данных в зависимости от количественных характеристик выброса и скорости ветра. Далее рассчитывается глубина зоны заражения при аварии на химически опасном объекте. Методика также обеспечивает возможность расчета глубины зоны возможного заражения при разрушении химически опасного объекта. Существует возможность определения площади зоны возможного и фактического заражения.
Основным недостатком этой методики является существенное упрощение рассеяния веществ в атмосфере. Метеорологические данные учитываются очень слабо и, вследствие этого, зоны поражения в методике далеко не всегда соответствуют реальным данным. К недостаткам этой модели следует также отнести отсутствие учета неоднородности поверхности (не учитываются взаимодействия ОХВ с поверхностью), упрощенность определения зоны поражения (которая часто имеет форму сектора), присутствие большого числа эмпирических коэффициентов. По этим причинам методика может быть использована только для очень приблизительных расчетов. Никак не приспособлена методика и к работе в нестационарных условиях среды. Вместе с тем можно отметить, что упрощенность данной методики существенно облегчает ее практическое применение.
Так как вышеуказанная упрощенность методики /29/ ни у кого не вызывает сомнений, в настоящее время разработан новый документ для оценки последствий химических аварий - методика ТОКСИ /30/, которая предназначена для оценки процесса рассеяния выбросов ОХВ и параметров зон токсического поражения при промышленных авариях.
Методика /30/ позволяет определить, помимо всего прочего, пространственно-временное поле концентраций ОХВ в атмосфере, зоны химического заражения и степень поражения людей в случае химической аварии. В рассмотренной методике также принят ряд допущения, в том числе идеализация газа, использована гауссова модель диффузии, постоянство характеристик ветра по силе и направленности и т.п. В методике принята классификация источников поступления ОХВ в атмосферу: по размеру (точечный и протяженный) и по времени действия (мгновенный и продолжительного действия).
В отличие от методики ГО РД-52-04 методика ТОКСИ учитывает реальную картину распространения облаков ОХВ, большее количество сценариев различных аварий, определяет связь полей концентраций со степенью поражения людей. Оценка поражающего воздействия токсиканта в данной методике производится с помощью понятия токсидозы. Однако более точным параметром, оценивающим токсический эффект является токсическая нагрузка /31/. Данная методика предоставляет возможность относительно нетрудоемкого расчета площади зараженной территории, как и /29/, но в отличие от последней, следует ожидать более точных результатов в связи с более детальным описанием процесса. Учет шероховатости поверхности сильно упрощен, что следует считать оправданным для больших объемов вещества.
Данная методика выглядит на первый взгляд более применимой для решения поставленной задачи, чем рассмотренная выше, но значительные сомнения вызывает возможность адаптации ее к наличию ударной волны, т.е. большого количества данных о сильно меняющемся поле скоростей среды.
Помимо рассмотрения конкретных методик, в литературе большое внимание уделяется в целом теоретическим основам построения любых моделей, применяемых для решения задач, связанных с построением концентрационных полей.
В работе/26/ описана система математических моделей процесса различного уровня формальной сложности - от трехмерных дифференциальных моделей до аналитических. Система моделей и методик расчета основана на едином подходе к описанию дисперсионных свойств атмосферы и газовых потоков. Исходя из общих уравнений турбулентности неоднородных сред, автором получены замыкающие соотношения для различных математических моделей переноса газовых потоков - выражения для коэффициентов диффузии, скорости рассеяния и дисперсии примеси тяжелого газа в атмосфере. Теоретические соотношения для указанных величин удовлетворительно согласуются с известными и оригинальными экспериментальными данными.
В основе двумерной модели распространения по поверхности земли тяжелого газа /26/ лежит представление о преимущественном движении плотного газа по направлению понижения рельефа за счет действия гравитационных сил и относительно слабое рассеяние облака в вертикальном направлении.
В этом случае были приняты предположения:
· земля представляет собой ровную поверхность с однородной степенью шероховатости;
· коэффициенты турбулентного переноса нейтрального по плавучести газа в атмосфере определяются ее состоянием, окружающей местностью и задаются полуэмпирическими соотношениями;
· относительное влияние динамики выброса и ветрового поля на коэффициенты переноса определяются аддитивно совокупностью известных и описанных в литературе эффектов, включая генерацию турбулентности сдвиговым потоком, усиление турбулентности силами инерции и плавучести;
· выбрасываемое вещество химически стабильно, фазовые переходы отсутствуют.
В данной модели автор приходит к выводу, что рассеяние газа на местности можно рассматривать эффективно двумерным при высоких гидравлических потерях. Следует отметить, что это хорошо согласуется с постановкой задачи о распространении ударной волны, основанной на эмпирических зависимостях, которые рассчитаны на применение в двумерном и (иногда) в одномерном пространстве, например, при круговом движении волны. В результате построения модели получена двумерная система уравнений, описывающая распространение тяжелого, перемешанного газа над неоднородной поверхностью. Хорошее совпадение результатов проведенного автором численного моделирования с экспериментальными данными свидетельствуют об адекватности предлагаемой им модели. В работе /26/ приведен также пример моделирования аварийной ситуации, связанной с рассеянием тяжелого газа на пересеченной местности.
При трехмерном моделировании автор использует основные уравнения неразрывности, движения, теплообмена и диффузии в декартовой системе координат. В данной работе также рассматривается усовершенствованная модель Гаусса для расчета рассеяния тяжелого газа.
Настоящая модель /26/ позволяет определить степень загрязненности воздуха в приземном слое (до 2 м). Это хорошо согласуется с практическим предназначением задачи - расчетом концентраций для их последующего использования для определения ущерба, наносимого персоналу, объектам и окружающей среде (большинство этих объектов и субъектов локализовано именно в приземном слое).
Задача решается в предположении неизменности плотности среды, одно-родности шероховатости и непроницаемости почвы, наличия эмпирических коэффициентов дисперсии газа, анизотропного рассеивания с учетом гравитации, химической стабильности вещества, подобия температурных и концентрационных полей.
Положительная черта модели заключается в ее адаптации для расчета рассеяния тяжелых газов. К сожалению, эта модель обладает рядом характерных для гауссовых моделей недостатков: в ней не учитывается динамика пограничного слоя атмосферы, распространение вещества исследуется при заранее заданных метеоусловиях (этот недостаток - общий для всех моделей), дисперсии основаны на экспериментальных данных. Поэтому модификации модели Гаусса не могут быть рекомендованы для моделирования рассеяния газов в условиях реальной застройки. Вместе с тем, при теоретической постановке задачи с целью изучения влияния каких-либо явлений на формирование концентрационных полей они вполне могут быть востребованы.
В работе /28/ изложены принципы и результаты статистического анализа, характеристики моделей дисперсии воздуха и более тяжелых газов от аварийных выбросов в атмосферу. В основе анализа лежит сравнение модели с наблюдениями в естественных условиях. Проведены сравнения расчетов по модели MATHEW/ADPIC с экспериментами.
В работах /32,33,34,35/ описаны модели дисперсии тяжелого газа, основные требования к этим моделям и их практическое использование. Приводится оценка различных трехмерных моделей. Авторы в основном рассматривают два подхода к изучению моделирования дисперсии тяжелого газа:
-трехмерные гидродинамические модели;
- модели потока ветра.
Во многих работах хорошо описаны и сведены в таблицу условия проведения полевых экспериментов, которые, однако, не могут применяться к решению рассматриваемой в данной работе задачи. В работе /35/ подробно рассмотрено решение задачи по рассеянию токсиканта применительно к конкретному произ- водству.
Некоторые работы посвящены рассмотрению проблемы рассеяния выбросов после взлета ракет, работающих на твердом топливе /36/. В каком-то смысле взлет ракеты имеет нечто общее с взрывом сосуда (практически мгновенное выделение токсичных веществ и высокие градиенты скоростей движения воздушной среды).
В этом источнике представлен отчет о параметрических исследованиях, которые были проведены с применением многоуровневой модели атмосферной диффузии для определения концентраций токсических компонентов топлива ракет на уровне земли. Наиболее интересные моменты включают в себя распространение выбросов в крупных облаках. Вопросы моделирования атмосферных процессов подробно рассматриваются в /27/.
В работе /36/ рассчитываются изменения со временем горизонтального размера кислотного стартового облака после взлета твердотопливной ракеты и времена его существования при различных метеорологических условиях в пог- раничном слое. Расчеты выполнены для облака, образующегося после взлета ракеты «Спейс-Шатл».
Описанные выше модели не могут быть использованы для расчета рассеяния тяжелых газов и паров в условиях реальной застройки в связи с тем, что они предназначены для расчета дисперсии твердых примесей над равнинными поверхностями.
С точки зрения данной дипломной работы крупным недостатком большинства рассмотренных выше работ является то, что они ни в коей мере не ориентированы на взрыв сосуда с токсикантом и могут представлять интерес лишь с точки зрения общей методики построения концентрационных полей.
Условия, характеризующие распространение атмосферных примесей в условиях реальной производственной площадки, существенно отличаются от рассеяния над ровной поверхностью. Учет застройки при разработке математических моделей - отдельная и довольно сложная задача. В этом смысле интересна работа /35/. Фактически, в этой работе применен самый элементарный метод учета застройки - через ее плотность, равную отношению суммарной длины циркуляционных зон на участке от наветренной границы застройки до рассматриваемого сечения потока к полной длине площадки в тех же пределах. Резко осуждается подход к моделированию распространения примесей в атмосфере в городских условиях без учета реального ландшафта, а во многих других исследованиях были сделаны попытки создания моделей, учитывающих наличие зон рециркуляции вблизи поверхности земли.
Лучшее решение по учету реальной застройки местности приведено в /37/, где авторами для численного моделирования распространения газа на территории городского микрорайона применен реализующий методы вычислительной гидродинамики программный комплекс PHOENICS.
Кроме того, методы решения различных задач газовой динамики и их применение для решения задач рассеяния токсичных примесей в атмосфере рассмотрены в работах /38,39/.
Проведенный анализ литературы позволяет сделать ряд выводов о состоянии проблемы моделирования процессов рассеяния.
Эмпирический характер нормативной методики /29/ затрудняет ее анализ. Чрезвычайно упрощенная техника расчета распространения аварийных выбросов и отсутствие учета шероховатости поверхности ограничивает ее применение ориентировочными расчетами. Методика /30/ учитывает, хотя и упрощенно, застройку местности, что позволяет спрогнозировать распространение примеси более точно. Но, как и /29/, она может быть использована только для ориентировочных практических расчетов.
Модели гауссова типа обладают рядом характерных недостатков: не учтена динамика пограничного слоя атмосферы, распространение вещества исследуется при заранее заданных метеоусловиях, величины дисперсий концентрации вещества выведены на основе экспериментальных данных и т.д., и по этой